第三章電磁兼容屏蔽技術(shù)

1、,電磁屏蔽2,物理電子學(xué),電磁兼容設(shè)計(jì),上節(jié)回顧,3. 1 概述,3. 2 電屏蔽,3. 3 磁屏蔽,3. 4 電磁屏蔽,3. 5 孔縫對屏蔽效能的影響,3. 7 屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn),3. 6 電磁密封處理,4,屏蔽機(jī)理,設(shè)金屬平板左右兩側(cè)均為空氣，因而在左右兩個界面上出現(xiàn)波阻抗突變，入射電磁波在界面上就產(chǎn)生反射和透射。 電磁能（波）的反射，是屏蔽體對電磁波衰減的第一種機(jī)理，稱為反射損耗，用R表示。,透射入金屬板內(nèi)繼續(xù)傳播，其場量 振幅要按指數(shù)規(guī)律衰減。場量的衰 減反映了金屬板對透射入的電磁能 量的吸收，電磁波衰減的第二種機(jī) 理稱為吸收損耗，用A表示,在金屬板內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量達(dá)到金屬右邊界面上

2、時，又要發(fā)生反射，并在金屬板的兩個界面之間來回多次反射。只有剩余的一小部分電磁能量透過屏蔽的空間。電磁波衷減的第三種機(jī)理，稱為多次反射修正因子，用B表示。,3.4 電磁屏蔽,5,屏蔽效能的第一種機(jī)理電磁能的反射是因?yàn)榭諝饨饘俳缑嫔献杩共黄ヅ涠l(fā)生的。反射系數(shù)為,輻射場的波阻抗,金屬板的波阻抗,吸收損耗,第三種機(jī)理，稱為多次反射修正因子：,三次反射(吸收過程) 五次反射(吸收過程),3.4 電磁屏蔽,6,實(shí)心材料屏蔽效能, R AB,入射,場強(qiáng),距離,吸收損耗A,R1,R2,SE R1 R2 AB,B,透射,泄漏,R 反射損耗 A吸收損耗 B多次反射修正因子,實(shí)心材料對電磁波的反射和吸收損耗使電

3、磁能量被大大衰減，將電場和磁場同時屏蔽，即電磁屏蔽。,反射,A,R1,R2,3.4 電磁屏蔽,波阻抗：,a. 遠(yuǎn)場：,b. 近場（以電場為主）：,c. 近場（以磁場為主）：,反射系數(shù)：,透射系數(shù)：,3.4 電磁屏蔽,相對于銅的電導(dǎo)率，銅：, 厚度（mm）。, 吸收損耗 A (dB),屏蔽材料越厚，吸收損耗越大，厚度增一個趨膚深度， 吸收損耗增加得9dB；,磁導(dǎo)率越高，吸收損耗越大；,電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大；,頻率越高，吸收損耗越大。, 相對磁導(dǎo)率；,結(jié)論：,3.4 電磁屏蔽, 反射損耗 R (dB),良導(dǎo)體：,a. 遠(yuǎn)場：,b.近場：電場源,c.近場：磁場源,3.4 電磁屏蔽, 多次反射修正

4、 B（dB）,而,故：,當(dāng) 時，,則,當(dāng) 時，通?？珊雎訠。,3.4 電磁屏蔽,反射損耗：,電場源,磁場源,（ ）,屏蔽效能：,吸收損耗：,遠(yuǎn)場平面波源,多次反射修正：,小結(jié),3.4 電磁屏蔽,例1 有一個大功率線圈的工作頻率為20kHz ，在離線圈0.5m處 置一鋁板 以屏蔽線圈對設(shè)備的影響。設(shè)鋁板厚度 為0.5mm 。試計(jì)算其屏蔽效能。,解：,屏蔽體處于哪個場區(qū)：, 近場,大功率線圈 強(qiáng)磁場，主要為磁屏蔽.,故,3.4 電磁屏蔽,又,故,3.4 電磁屏蔽,式中：,2. 雙層屏蔽體的屏蔽效能,3.4 電磁屏蔽,3.4 電磁屏蔽,通常兩層之間的空氣中的多次反射起主要作用，則,當(dāng)兩屏蔽層采用同一

5、金屬材料且相同厚度時，,3.4 電磁屏蔽,（3）薄膜屏蔽：,工程塑料機(jī)箱具有造型美觀、加工方便、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。,如何使機(jī)箱具有屏蔽作用？,通過噴涂、真空沉積以及粘貼等技術(shù)在機(jī)箱上包裹一層導(dǎo)電 薄膜。,設(shè)薄膜厚度為t，電磁波在薄膜中的波長為 ，當(dāng) ， 稱這種屏蔽層為薄膜屏蔽。,由于薄膜屏蔽導(dǎo)電層很薄，吸收損耗可以忽略，屏蔽效能 主要由反射損耗和多次反射修正因子確定，可以按金屬平 板屏蔽的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。,3.4 電磁屏蔽,銅薄膜屏蔽層屏蔽效能,3.4 電磁屏蔽,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,實(shí)際機(jī)箱上有許多泄漏源:信號線的出入口，電流線的出入口，通風(fēng)散熱孔，接縫處的縫隙等。,設(shè)各泄漏因素的屏蔽

6、效能為 ，即,總泄漏場,故,1、 綜合屏蔽效能的計(jì)算公式,例2 設(shè)某一頻率下，機(jī)殼屏蔽材料本身有110dB的屏蔽效能， 各泄漏因素造成屏蔽效能為：（1）濾波與連接器面板： 101dB ；（2）通風(fēng)孔92dB;（3）門泄漏：88dB;（4）接 縫泄漏：83dB。求機(jī)箱的總屏蔽效能。,解：,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,2、 縫隙的電磁泄漏,故,設(shè)金屬屏蔽體上有一縫隙，其間隙為g ，屏蔽板厚度為t ，入射波電場為 E0，經(jīng)縫隙泄漏到屏蔽體中的場為Ep ，當(dāng)g 10/3 時，有,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,例3 在例1中開一縫隙，若其寬度為0.5mm、0.25mm 、0.1mm ， 分別求其屏蔽效

7、能。,解：,當(dāng),當(dāng),當(dāng),無縫隙時的屏蔽效能：SE = 54.83 dB,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,縫隙的處理,襯墊的種類：金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的) 導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的) 指形簧片(不同表面涂覆層的) 螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的) 導(dǎo)電布,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,Page 25,3.截止波導(dǎo),3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,26,截止波導(dǎo)屏蔽效能,截止波導(dǎo)管 屏蔽效能,=,反射損耗： 遠(yuǎn)場區(qū)計(jì)算公式, 近場區(qū)計(jì)算公式,+,吸收損耗：與截止頻率有關(guān),孔洞計(jì)算屏蔽效能公式，前述,波導(dǎo)壁面吸收損失 屏蔽效能明顯,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔 的屏蔽效能

8、,截止頻率：,矩形波導(dǎo)：fc10 = 1510 9/ a （Hz）,圓形波導(dǎo)：fc11 =17.610 9/ D（Hz）,六角波導(dǎo)：fc10 =1510 9/ W （Hz）,（a、D、W 的單位為：cm）,原理：,電磁波頻率遠(yuǎn)低于波導(dǎo)的最低截止頻率，因而產(chǎn)生很大的衰減。,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,屏蔽效能,矩形波導(dǎo)：,圓形波導(dǎo)：,六角波導(dǎo)：,（l 的單位為：cm）,當(dāng) f fc 時：,設(shè)計(jì)要求：,l 3a、l3D、l3W,fc = （510）f,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,不能有金屬材料穿過截止波導(dǎo)管 當(dāng)有金屬材料穿過截止波導(dǎo)管時，會導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁泄漏。需要注意的是有些光纜的內(nèi)部加有金屬

9、加強(qiáng)筋，這時將光纜穿過截止波導(dǎo)時也會引起泄漏。,波導(dǎo)管的安裝 最可靠的方法是焊接，在屏蔽體上開一個尺寸與波導(dǎo)管截面相同的孔，然后將波導(dǎo)管的四周與屏蔽體連續(xù)焊接起來。 如果波導(dǎo)管本身帶法蘭盤，利用法蘭盤來將波導(dǎo)管固定在屏蔽體上，需要在法蘭盤與屏蔽體基體之間安裝電磁密封襯墊。,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,截止波導(dǎo)通風(fēng)窗,截止波導(dǎo)通風(fēng)窗的原理是將大量的截止波導(dǎo)焊接在一起，構(gòu)成截止波導(dǎo)陣列，這樣可以形成很大的開口面積，同時能夠防止電磁波泄漏。,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,截止波導(dǎo)通風(fēng)窗的設(shè)計(jì),確定波導(dǎo)的截止頻率,確定波導(dǎo)的截面尺寸,確定波導(dǎo)的截面形狀,根據(jù)通風(fēng)面積確定波導(dǎo)數(shù)目N,確定單根波導(dǎo)的屏蔽

10、效能,確定波導(dǎo)的長度,進(jìn)行屏蔽效能校核,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,波導(dǎo)的截止頻率：,fc = f = 50GHz,波導(dǎo)的截面形狀：選用正方形截面波導(dǎo),波導(dǎo)的截面尺寸：,fc = 1510 9/ a,a = 1510 9/ fc = 3mm,波導(dǎo)數(shù)目,N = 0.4510 6/ (33) = 50000,每個通風(fēng)窗的波導(dǎo)數(shù)目：25000,例4 一屏蔽室的工作頻率范圍是10KHz 10GHz，要求通風(fēng)孔的 總通風(fēng)面積為0. 45m2 ，設(shè)計(jì)總屏蔽效能為95dB的截止波導(dǎo)通風(fēng)窗。,解：,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,波導(dǎo)的長度：,單根波導(dǎo)的屏蔽效能,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,4、 金屬孔板的

11、屏蔽效能,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,屏蔽效能的計(jì)算公式,SE = ARBK1K2+K3,式中：A 孔的吸收損耗,R 孔的反射損耗,B 孔的多次反射損耗,K1 孔數(shù)目修正系數(shù),K2 低頻穿透修正系數(shù),K3 孔間耦合修正系數(shù),a. 孔的吸收損耗 A,按截止波導(dǎo)計(jì)算,矩形孔：Ar = 27.3 t / a,圓形孔：Ac = 32.0 t / D,t 孔的深度（cm）,a 矩形孔的最大寬度（cm）,D 圓形孔的直徑（cm）,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,b. 孔的反射損耗 R,其中：, 矩形孔, 圓形孔, 遠(yuǎn)場, 近區(qū)、電場, 近區(qū)、磁場,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,a 每一孔洞的面積（cm2）

12、,P 孔間導(dǎo)體寬度 / 趨膚深度,c. 多次反射修正B,d. 孔數(shù)目修正系數(shù)K1,e. 低頻穿透修正系數(shù)K2,f. 孔間耦合修正系數(shù)K3,n 每cm2內(nèi)的孔洞數(shù),3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,解 a. A = 32 t / D = 12.8 dB,例 某飛機(jī)控制盒用鋁板加工而成，鋁板厚度t = 2mm，兩側(cè)面板 上的總孔數(shù)為289, 孔的形狀為圓形，孔徑D = 5mm，孔的中心間距為18mm。設(shè)平面波的頻率為f = 5MHz，求控制盒的屏蔽效能。,b.,c.,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,孔陣面積：,d. 孔數(shù)目修正系數(shù)K1,e. 低頻穿透修正系數(shù)K2,f.,總孔數(shù)：,故 SE = A + R

13、 + B + K1 + K2 + K3 = 55.8 dB,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,5、通風(fēng)孔上覆蓋金屬絲網(wǎng),焊接式安裝,壓緊式安裝,3.5 孔縫對屏蔽效能的影響,操作器件的處理,器件調(diào)諧孔的屏蔽設(shè)計(jì),顯示窗的處理,貫通導(dǎo)體的處理,不允許金屬導(dǎo)線不采取任何措施直接穿過屏蔽體！,貫通導(dǎo)體的處理,減少結(jié)合處的緊固螺釘，增加設(shè)備美觀性和可維護(hù)性,降低對機(jī)械加工的要求，允許接觸面有較低的平整度,在縫隙處不會產(chǎn)生高頻泄漏,1. 電磁密封襯墊,電磁密封襯墊是解決縫隙電磁泄漏的有效而方便的方法,使用電磁密封襯墊的主要優(yōu)點(diǎn),3.6 電磁密封的處理,機(jī)箱結(jié)合面的縫隙長度超過/20,要求機(jī)箱的屏蔽效能大于4

14、0dB,設(shè)備的發(fā)射或敏感頻率超過100MHz,無法采用機(jī)械加工來得到更好的導(dǎo)電連續(xù)性,結(jié)合面采用了不同材料，而且設(shè)備要在惡劣環(huán)境下工作,需要對環(huán)境采取密封措施,使用電磁密封襯墊的場合,3.6 電磁密封的處理,保持接觸面清潔，且沒有非導(dǎo)電保護(hù)層,選用導(dǎo)電性能好的襯墊材料,對襯墊施加足夠的壓力,襯墊有足夠的厚度,注意襯墊與屏蔽體接觸表面間的電化學(xué)腐蝕,當(dāng)需要活動接觸時，應(yīng)使用指形簧片,使用電磁密封襯墊的關(guān)鍵,3.6 電磁密封的處理,回彈力,導(dǎo)電性,最小形變量,襯墊厚度,電化學(xué)相容性,壓縮永久形變,電磁密封襯墊的主要性能指標(biāo),3.6 電磁密封的處理,金屬絲網(wǎng)襯墊,用鈹銅絲、不銹鋼絲編織成管狀長條。為

15、了增強(qiáng)金屬網(wǎng)的彈性，有時在網(wǎng)管內(nèi)加入橡膠芯。,常用電磁密封襯墊,屏蔽效能：電場 130dB（10MHz）， 105dB（1GHz）,磁場 80dB（100kHz）,3.6 電磁密封的處理,在硅橡膠內(nèi)填充占總重量70 80比例的金屬顆粒，如銀粉、銅粉、鋁粉、鍍銀銅粉、鍍銀鋁粉、鍍銀玻璃球等。這種材料保留一部分硅橡膠良好彈性的特性，同時具有較好的導(dǎo)電性。,導(dǎo)電橡膠,3.6 電磁密封的處理,導(dǎo)電布襯墊,導(dǎo)電布包裹發(fā)泡橡膠構(gòu)成。,導(dǎo)電布由銅、銅鎳與黑色樹脂制成。有導(dǎo)電編織纖維、導(dǎo)電非編織纖維和導(dǎo)電絲網(wǎng)等幾種類型。,100dB以上的屏蔽效果 （20MHz10GHz）,3.6 電磁密封的處理,指形簧片,鈹

16、銅制成的簧片，具有很好的彈性和導(dǎo)電性。,螺旋管襯墊,3.6 電磁密封的處理,不同襯墊材料的特點(diǎn)比較,3.6 電磁密封的處理,盡量采用槽安裝方式。（固定襯墊、限制過量壓縮）,槽的形狀和尺寸,電磁密封襯墊的安裝,3.6 電磁密封的處理,單層屏蔽的雙導(dǎo)線,單層屏蔽的單導(dǎo)線,各自屏蔽的雙導(dǎo)線,外帶有單層或雙層屏蔽，內(nèi)部又各自屏蔽并彼此絕緣 的雙導(dǎo)線,單層屏蔽的雙絞線,雙層屏蔽的雙絞線,單層或雙層屏蔽的三芯線,屏蔽的多芯線,屏蔽電纜的類型,3.6 電磁密封的處理,Page 56,海底電纜,3.6 電磁密封的處理,“豬尾巴（Pigtail）效應(yīng)”的影響,3.6 電磁密封的處理,“豬尾巴（Pigtail）效應(yīng)”的影響,3.6 電磁密封的處理,屏蔽電纜的連接,3.6 電磁密封的處理,1. 確定屏蔽效能